DE19808327C2 - Intermittent fuel injection device - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur intermit­ tierenden Einspritzung eines fluiden Kraftstoffes.The invention relates to a device for intermit injection of a fluid fuel.

Vorrichtungen zur Einspritzung von fluiden Kraftstof­ fen sind wichtiger Bestandteil vieler Kraftstoffver­ sorgungssysteme. Bei Verbrennungskraftmaschinen bei­ spielsweise sind die Einspritzvorrichtungen häufig als elektromagnetische Einspritzventile ausgestaltet. Ein derartiges Einspritzventil ist aus "Autoelektrik, Autoelektronik am Ottomotor/Bosch", 2. Ausgabe, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1994, Seite 86, bekannt. Das Einspritzventil wird elektromagnetisch betätigt und durch elektrische Impulse von einem Steuergerät geöffnet und geschlossen. Es besteht aus einem Ventilkörper und einer Düsennadel mit aufge­ setztem Magnetanker. Der Ventilkörper enthält eine Magnetwicklung sowie eine Führung für die Düsennadel. Devices for the injection of fluid fuel are an important part of many fuels supply systems. With internal combustion engines at for example, the injectors are common designed as electromagnetic injectors. Such an injection valve is made of "auto electrics, Auto electronics on gasoline engine / Bosch ", 2nd edition, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1994, page 86, known. The injection valve becomes electromagnetic actuated and by electrical impulses from one Control unit opened and closed. It consists of a valve body and a nozzle needle with set magnetic anchor. The valve body contains one Magnet winding and a guide for the nozzle needle.  

Bei stromloser Magnetwicklung drückt eine Schrauben­ feder die Düsennadel auf ihren Dichtsitz am Ventil­ auslaß. Wird der Magnet erregt, so hebt sich die Dü­ sennadel vom Sitz ab, und der unter Druck zugeführte Kraftstoff kann durch einen Präzisionsringspalt aus­ treten. Das vordere Ende der Düsennadel enthält zur Zerstäubung des Kraftstoffes einen Spritzzapfen mit Anschliff. Anzugs- und Abfallzeiten des Ventils lie­ gen im Bereich zwischen einer und eineinhalb Millise­ kunden. Die Dosierung des Kraftstoffes erfolgt durch Steuerung der Öffnungsdauer der Magnetventile.When the magnet winding is de-energized, a screw presses spring the nozzle needle onto its sealing seat on the valve outlet. If the magnet is excited, the nozzle rises needle from the seat, and the pressurized Fuel can come out through a precision ring gap to step. The front end of the nozzle needle contains Atomizing the fuel with a spigot Bevel. Tightening and falling times of the valve lie in the range between one and a half millises Customers. The fuel is dosed by Control of the opening time of the solenoid valves.

Derartige Einspritzventile haben den Nachteil, daß sie eine Vielzahl an mechanischen Komponenten besit­ zen und daher stets einen gewissen Verschleiß aufwei­ sen. Die mechanischen Komponenten und die elektromag­ netische Betätigungsvorrichtung besitzen eine Träg­ heit, welche die maximale Einspritzfrequenz begrenzt und eine exakte Steuerung des Einspritzvorganges er­ schwert. Aufgrund der mechanischen Komponenten läßt sich die Bauweise des Einspritzventils nicht beliebig miniaturisieren.Such injectors have the disadvantage that they have a variety of mechanical components zen and therefore always show some wear sen. The mechanical components and the elektromag netische actuator have a carrier unit that limits the maximum injection frequency and precise control of the injection process sword. Due to the mechanical components the design of the injection valve is not arbitrary miniaturize.

Ausgehend von diesen und weiteren Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzvorrichtung zur intermittie­ renden Kraftstoffeinspritzung anzugeben, welche hohe Einspritzfrequenzen erlaubt, eine geringe Baugröße aufweist und darüberhinaus eine exakte elektronische Steuerung zuläßt.Based on these and other disadvantages of the State of the art, the object of the invention based on an intermittent injector fuel injection to indicate which high Injection frequencies allowed, a small size and also an exact electronic Control permits.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a Fuel injection device according to claim 1. Die  Subclaims relate to preferred and advantageous Embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen piezoelek­ trischen oder thermopneumatischen Mikroaktor, auf welchem eine Düsenstruktur angeordnet ist, zur Kraft­ stoffeinspritzung zu verwenden. Vergleichbare Mikro­ aktoren sind beispielsweise aus der Tintendrucktech­ nik bekannt. Bei piezoelektrischen Aktoren verformt sich das Ionenkristallgitter eines Piezoelementes infolge einer elektrischen Spannung. Aufgrund der daraus resultierenden Expansion des Piezoelementes wird ein an den expandieren Bereich angrenzendes flu­ ides Medium über die Düsenstruktur ausgestoßen. Bei thermopneumatischen Aktoren wird mittels eines Hei­ zelementes eine aktornahe Fluidschicht lokal stark erhitzt bzw. überhitzt. Infolge der daraus resultie­ renden lokalen thermischen Expansion des Fluids wer­ den angrenzende Fluidbereiche beschleunigt und über die Düsenstruktur ausgestoßen.According to the invention it is proposed a piezoelectric trical or thermopneumatic microactuator which a nozzle structure is arranged for force use fuel injection. Comparable micro Actuators are, for example, from ink printing technology not known. Deformed in piezoelectric actuators the ion crystal lattice of a piezo element due to an electrical voltage. Due to the resulting expansion of the piezo element becomes a river adjacent to the expanded area e medium is ejected through the nozzle structure. at thermopneumatic actuators is by means of a Hei zelementes a local fluid layer close to the actuator heated or overheated. As a result of this local thermal expansion of the fluid accelerates and over the adjacent fluid areas the nozzle structure ejected.

Im Gegensatz zu Einspritzventilen weisen die Mikroak­ toren einen vernachlässigbaren Veschleiß und eine äußerst geringe Trägheit auf. Da der Druck zum Aus­ stoß des Kraftstoffes erfindungsgemäß in der Ein­ spritzvorrichtung selbst erzeugt wird, ist in der Kraftstoffzuleitung kein hoher Versorgungsdruck mehr notwendig. Die Mikroaktoren gestatten Einspritzfre­ quenzen von über 10 kHz, so daß eine Diskretisierung und eine exakte zeitliche Steuerung eines einzelnen Einspritzvorganges möglich ist. Bei ausgezeichneter Mengenreproduzierbarkeit kann somit eine exakte Men­ genregulierung vorgenommen werden. In contrast to injectors, the Mikroak negligible wear and tear extremely low inertia. Because the pressure to go out thrust of the fuel according to the invention in the one sprayer itself is generated in the Fuel supply line no longer high supply pressure necessary. The microactuators allow injection-free sequences of over 10 kHz, so that discretization and precise timing of an individual Injection process is possible. With excellent Quantity reproducibility can therefore be an exact amount gene regulation can be made.  

Vorteilhafterweise gestattet die Verwendung mehrerer Mikroaktoren die Realisierung beliebiger Einspritz­ geometrieen. So können mehrere Mikroaktoren in Form einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Matrix angeordnet werden und von einer elektrischen Steue­ rung separat, gruppenweise oder gleichzeitig elektri­ sche Impulse für den Kraftstoffausstoß erhalten. Die Anzahl der eingesetzten Kraftstoffeinspritzvorrich­ tungen ist in Abhängigkeit vom maximal auftretenden Kraftstoffverbrauch zu wählen. Es ist zum Beispiel denkbar, die Mikroaktoren in Form eines Ringes etwa um ein Saugrohr oder um den Zylinder einer Verbren­ nungskraftmaschine anzuordnen. Weiterhin eignen sich die erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtungen auch für Düsenantriebe für z. B. Satelliten.The use of several advantageously allows Microactuators to realize any injection geometries. So several microactuators can be in shape a one-dimensional or two-dimensional matrix be arranged and by an electrical control separately, in groups or simultaneously electri receive impulses for fuel emissions. The Number of fuel injection devices used is dependent on the maximum occurring To choose fuel consumption. For example it is conceivable, the microactuators in the form of a ring around an intake manifold or around the cylinder of a cremation arrangement engine. Are also suitable the injection devices according to the invention also for Nozzle drives for e.g. B. satellites.

Die flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffe werden den Mikroaktoren über Kraftstoffzuleitungen zugeführt, welche entweder neben den Mikroaktoren auf einem die Mikroaktoren aufnehmenden Substrat angeordnet sind oder zumindest bereichsweise im Inneren des Substra­ tes verlaufen. Bevorzugt ist eine rückseitige Zufüh­ rung des Kraftstoffes durch das Substrat. Die Kraft­ stoffzuleitungen zu einzelnen Mikroaktoren können als Kapillaren ausgestaltet sein.The liquid or gaseous fuels are the Microactuators fed via fuel supply lines, which either on a next to the microactuators Microactuating substrate are arranged or at least in some areas inside the substra run. A rear feed is preferred tion of the fuel through the substrate. The power substance supply lines to individual microactuators can be used as Capillaries are designed.

Piezoelektrische Mikroaktoren erlauben im Vergleich zu thermopneumatischen Mikroaktoren einen Kraftstoff­ ausstoß unter höheren Drücken und eignen sich daher z. B. für die Kraftstoffeinspritzung bei Dieselmoto­ ren. Piezoelectric micro actuators allow comparison a fuel for thermopneumatic microactuators Output under higher pressures and are therefore suitable z. B. for fuel injection at diesel engines ren.  

Im Gegensatz zu piezoelektrischen Mikroaktoren, wel­ che in der Regel feinwerktechnisch strukturiert werden, erlauben thermopneumatische Mikroaktoren eine kosten­ günstige mikroelektronische Fertigung. Die mikroelek­ tronische Fertigung gestattet eine Integration von Einspritzvorrichtung und Mikroelektronik bzw. Mikro­ sensorik. Außerdem können bei mikroelektronischer Fertigung auf geringster Fläche eine hohe Anzahl von Einspritzvorrichtungen angeordnet werden.In contrast to piezoelectric micro actuators, wel areas are usually structured using precision engineering, allow thermopneumatic microactuators a cost inexpensive microelectronic manufacturing. The microelek tronic manufacturing allows an integration of Injector and microelectronics or micro sensors. In addition, microelectronic Manufacturing in the smallest area a high number of Injectors are arranged.

Bei thermopneumatischen Aktoren wird als Heizelement eine Widerstandsschicht verwendet, die meist aus ei­ nem Metall besteht. Diese Widerstandsschicht ist durch ein thermisch optimiertes System von Deck­ schichten vor den mechanischen Belastungen, welche bei der Erhitzung des fluiden Mediums auftreten (Ka­ vitationseffekte), geschützt. Die Deckschichten füh­ ren jedoch teilweise zu einem unerwünschten Tempera­ turgradienten zwischen Widerstandsschicht und fluidem Medium. Bevorzugt wird deshalb ein Mikroaktor mit einer Widerstandsschicht aus dotiertem oder graphiti­ schem (carbon-like) Diamant vorgeschlagen. Aufgrund der inhärenten Härte, Elastizität und Bruchfestigkeit von Diamant, erfordert eine Widerstandsschicht aus Diamant keine weiteren stabilisierenden Deckschich­ ten. Diamant ermöglicht aufgrund seiner hohen Wärme­ leitfähigkeit und seinem geringen Wärmespeicherver­ mögen hochdynamische Aufheiz- und Abkühlprozesse. Einspritzvorrichtungen mit thermopneumatischen Akto­ ren auf Diamantbasis weisen daher neben einem verbes­ serten Wirkungsgrad und einer erhöhten Lebensdauer auch geringere Herstellungskosten auf. With thermopneumatic actuators it is used as a heating element used a resistance layer, mostly made of egg metal. This resistance layer is thanks to a thermally optimized system from the deck layers before the mechanical loads which occur when the fluid medium is heated (Ka vitiation effects), protected. The cover layers lead ren, however, to an undesirable temperature gradient between the resistance layer and the fluid layer Medium. A micro actuator is therefore preferred a resistance layer made of doped or graphite proposed (carbon-like) diamond. by virtue of the inherent hardness, elasticity and breaking strength of diamond, requires a resistive layer Diamond no other stabilizing top layer Due to its high heat, diamond enables conductivity and its low heat storage like highly dynamic heating and cooling processes. Injectors with thermopneumatic actuators Diamond-based tires therefore have a verb efficiency and an increased service life also lower manufacturing costs.  

Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Widerstandsschicht aus Diamant einen nahezu tempera­ turunabhängigen elektrischen Widerstand aufweist. Dies ist bei Dotierstoffkonzentrationen von über 10¹⁹ cm^-3 und insbesondere von über 5.10²⁰ cm^-3 der Fall. Eine gewisse Temperaturabhängigkeit der Wider­ standsschicht kann jedoch durchaus erwünscht sein, da der thermopneumatische Mikroaktor dann gleichzeitig als Temperatursensor fungieren kann. Temperatursenso­ ren auf z. B. Diamantbasis können auch monolithisch integriert neben dem thermopneumatischen Mikroaktor angeordnet sein.For many applications it is advantageous if the resistance layer made of diamond has an almost resistance-independent electrical resistance. This is the case with dopant concentrations of over 10 ¹⁹ cm ^-3 and in particular over 5.10 ²⁰ cm ^-3 . A certain temperature dependence of the resistance layer can, however, be quite desirable, since the thermopneumatic microactuator can then simultaneously function as a temperature sensor. Temperatursenso ren on z. B. diamond base can also be arranged monolithically integrated next to the thermopneumatic microactuator.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung einer thermi­ schen Isolationsschicht mit einer Dicke von bevorzugt mindestens 0,25 µm und besonders bevorzugt 1 µm bis 10 µm unterhalb der Widerstandsschicht aus Diamant. Die Isolationsschicht sollte vorteilhafterweise eine Wärmeleitfähigkeit von unter 1 Wcm^-1K^-1 bei 300 K besitzen und kann aus Siliziumoxiden, Siliziumnitri­ den, Siliziumoxinitriden oder Aluminiumoxiden beste­ hen. Amporphe Materialien weisen eine besonders ge­ ringe thermische Leitfähigkeit auf. Die Aufgabe der Isolationsschicht ist es, eine Diffusion der in der Widerstandsschicht generierten Wärme zu verhindern. Der Wirkungsgrad der Einspritzvorrichtung wird da­ durch gesteigert.The arrangement of a thermal insulation layer with a thickness of preferably at least 0.25 μm and particularly preferably 1 μm to 10 μm below the resistance layer made of diamond is particularly advantageous. The insulation layer should advantageously have a thermal conductivity of less than 1 Wcm ^-1 K ^-1 at 300 K and can consist of silicon oxides, silicon nitrides, silicon oxynitrides or aluminum oxides. Amporphe materials have a particularly low thermal conductivity. The task of the insulation layer is to prevent diffusion of the heat generated in the resistance layer. The efficiency of the injection device is increased by.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß besonders hohe Flächenheizdichten bei Abmessungen der Widerstands­ schicht von weniger als 1 mm² und bevorzugt weniger als 100 × 100 µm² erzielt werden. Bei diesen Abmes­ sungen können Flächenheizdichten im Bereich von MW/cm² erreicht werden.In practice it has been shown that particularly high surface heating densities with dimensions of the resistance layer of less than 1 mm ² and preferably less than 100 × 100 μm ² can be achieved. With these dimensions, surface heating densities in the range of MW / cm ² can be achieved.

Ein wichtiger Bestandteil der erfindungsgemäßen Ein­ spritzvorrichtung ist die auf den Mikroaktoren ange­ ordnete Düsenstruktur. Die Düsenstruktur kann pro Mikroaktor zweckmäßigerweise eine im Bereich des Mikroaktors angeordnete Kammer, welche mit der Kraft­ stoffzuleitung verbunden ist, sowie mindestens eine im Bereich der Kammer angeordnete Düse umfassen. Es ist z. B. denkbar, bei der Fertigung der Düsenstruktur in einem ersten Schritt Kammern und gegebenenfalls kapillarförmige Kraftstoffzuleitungen zu strukturie­ ren und anschließend auf diese Struktur eine separat strukturierte, Düsen aufweisende Platte anzuordnen. Die Gesamtanordnung kann dabei z. B. aus photolitho­ graphisch strukturierbarem Polyimid bestehen. Als Alternative zu Polyimid kann an temperaturbeständige­ re Werkstoffe wie z. B. Keramiken, welche durch die LIGA-Technologie strukturierbar sind, oder Diamant gedacht werden.An important part of the A according to the invention Spraying device is on the microactuators ordered nozzle structure. The nozzle structure can be per Micro actuator expediently in the range of Microactuator arranged chamber, which with the force material supply line is connected, and at least one comprise nozzle arranged in the region of the chamber. It is z. B. conceivable in the manufacture of the nozzle structure in a first step chambers and if necessary capillary fuel supply lines to structure and then separately on this structure to arrange structured plate having nozzles. The overall arrangement can z. B. from photolitho consist of graphically structurable polyimide. As Alternative to polyimide can be temperature-resistant re materials such. B. ceramics, which by the LIGA technology can be structured, or diamond be thought.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren und bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:The invention is explained below with reference to figures and preferred embodiments described in more detail. Show it:

Fig. 1a-1c die Strukturierung eines Mikroaktors; Fig. 1a-1c, the structure of a microactuator;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Einspritzvor­ richtung mit Mikroaktor und Düsen­ struktur; und Figure 2 shows an injection device according to the invention with microactuator and nozzle structure; and

Fig. 3 den Vergleich eines herkömmlichen Ein­ spritzvorganges mit einem erfindungs­ gemäßen Einspritzvorgang. Fig. 3 shows the comparison of a conventional injection process with an injection process according to the Invention.

Exemplarisch sei die Herstellung einer Kraftstoffein­ spritzvorrichtung mit einem thermopneumatischen Mi­ kroaktor, der eine Widerstandsschicht aus dotiertem Diamant aufweist, erläutert.An example is the production of a fuel spraying device with a thermopneumatic Mi kroaktor, which is a resistance layer made of doped Diamond has explained.

In den Fig. 1a bis 1c ist die Strukturierung des thermopneumatischen Mikroaktors skizziert. Zur Her­ stellung der in Fig. 1a dargestellten Schichtstruktur wird auf einem Siliziumkarbid- oder Siliziumsubstrat 1 zunächst mit Hilfe der CVD-Technik eine 3 µm dicke SiO₂-Schicht 2 abgeschieden. Ebenfalls mittels eines CVD-Verfahrens wird auf der SiO₂-Schicht 2 polykri­ stalliner intrinsischer Diamant aufgebracht. Bei ei­ ner Schichtdicke des intrinsischen Diamantfilmes 3 von ungefähr 1 µm wird eine Bor-Feststoffquelle in die Abscheideapparatur eingebracht und p⁺-dotierter Diamant mit einer Dotierstoffkonzentration von 10²⁰ bis 10²¹ cm^-3 bis zu einer Dicke von 400 nm weiterge­ wachsen. Der p⁺-dotierte Diamantfilm fungiert als Widerstandsschicht 4.The structuring of the thermopneumatic microactuator is outlined in FIGS . 1a to 1c. To manufacture the layer structure shown in FIG. 1a, a 3 μm thick SiO ₂ layer 2 is first deposited on a silicon carbide or silicon substrate 1 with the aid of the CVD technique. Also by means of a CVD method ₂ layer 2 is applied polykri stalliner intrinsic diamond on the SiO. At a layer thickness of the intrinsic diamond film 3 of approximately 1 μm, a boron solid source is introduced into the deposition apparatus and p ⁺ -doped diamond with a dopant concentration of 10 ²⁰ to 10 ²¹ cm ^-3 continues to grow to a thickness of 400 nm. The p ⁺ -doped diamond film acts as a resistance layer 4 .

Zur Strukturierung der Widerstandsschicht 4 wird auf die Widerstandsschicht 4 ein SiO₂-Film 5 gesputtert und Bereiche, welche später als Bauteilmesa 6 die z. B. in Matrixform angeordneten Mikroaktoren bilden, mit Photolack 7 maskiert. For patterning of the resistor layer 4, an SiO ₂ film 5 is sputtered onto the resistive layer 4, and portions which later than Bauteilmesa 6, z. B. arranged in matrix form microactuators, masked with photoresist 7 .

Nach einem Plasmaätzvorgang zur Mesastrukturierung wird 60 × 60 µm² große Bauteilmesa 6, wie in Fig. 1b dargestellt, für die Herstellung einer elektrischen Kontaktierung 9 zunächst mit einer weiteren Photo­ lackschicht maskiert. Nachfolgend wird schichtweise die Kontaktierung 9 aufgesputtert (Fig. 1c). Die Kon­ taktierung 9 umfaßt eine mit Bor p⁺-dotierte Silizi­ umkontaktschicht 10, eine Wolframsilizidschicht 17, eine Wolframsilizidschicht 11, in die 10 Atom-% Stickstoff eingebaut ist, sowie eine Golddeckschicht 12. Die Wolframsilizidschicht 11 fungiert als Diffu­ sionsbarriere zwischen der Silziumkontaktschicht 10 und der Golddeckschicht 12. Durch einen abschließen­ den Lift-Off Schritt werden Lackschicht 8 und über der Lackschicht 8 angeordnete Bereiche der Kontaktie­ rung 9 entfernt. Die Kontaktierung 9 entfernt. Die Kontaktierung 9 weist eine hervorragende Temperatur­ beständigkeit bis mindestens 700°C auf.After a plasma etching process for mesa structuring, component mesa 6 having a size of 60 × 60 μm ² , as shown in FIG. 1b, is first masked with a further photo lacquer layer for producing an electrical contact 9 . Subsequently, the contact 9 is sputtered in layers ( FIG. 1c). The contact 9 comprises a boron p ⁺ -doped silicon contact layer 10 , a tungsten silicide layer 17 , a tungsten silicide layer 11 , in which 10 atomic percent nitrogen is incorporated, and a gold cover layer 12 . The tungsten silicide layer 11 acts as a diffusion barrier between the silicon contact layer 10 and the gold cover layer 12 . By completing the lift-off step, lacquer layer 8 and regions of contact 9 arranged above lacquer layer 8 are removed. The contact 9 removed. The contact 9 has an excellent temperature resistance up to at least 700 ° C.

Im Anschluß an das Strukturieren des Mikroaktors wird auf den Mikroaktor eine Düsenstruktur aufgebracht. Bei der in Fig. 2 dargestellten Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung besteht die Düsenstruktur aus einer Ka­ nalstruktur 13, über welcher eine Düsenplatte 14 an­ geordnet ist. Im Bereich der Widerstandsschicht 4 des Mikroaktors ist in der Kanalstruktur 13 eine Kammer 15 ausgebildet, welche mit einer Düsenöffnung 16 mit einem Durchmesser von rund 55 µm in Kontakt steht. Über die Ausgestaltung der Düsenöffnung 16 läßt sich gezielt auf Tröpfchengröße und Ausstoßrichtung Ein­ fluß nehmen. In Fig. 2 ist der Ausstoß eines Flüssig­ keitströpfchens nach Anlegen eines Spannungspulses an die Kontaktierung 9 dargestellt. Bei Verwendung aggressiver Kraftstoffe kann es vorteilhaft sein, wenn auf die Widerstandsschicht 4 eine nicht darge­ stellte Passivierungsschicht aufgebracht wird.Following the structuring of the micro actuator, a nozzle structure is applied to the micro actuator. In the fuel injection device shown in Fig. 2, the nozzle structure consists of a channel structure 13 , via which a nozzle plate 14 is arranged. In the area of the resistance layer 4 of the microactuator, a chamber 15 is formed in the channel structure 13 , which is in contact with a nozzle opening 16 with a diameter of around 55 μm. About the design of the nozzle opening 16 can be targeted to a droplet size and direction of discharge. In Fig. 2, the discharge of a liquid speed droplet after applying a voltage pulse to the contact 9 is shown. When using aggressive fuels, it may be advantageous if a passivation layer, not shown, is applied to the resistance layer 4 .

Die Strukturen 13 und 14 lassen sich beispielsweise aus Polyimid der Firma Olin Microelectronic Materials der Serie 7500 fertigen. Dazu wird das in Form eines photoempfindlichen Lackes vorliegende Polyimid ganz­ flächig auf das Substrat, auf welchem der oder die Mikroaktoren angeordnet sind, aufgebracht und im An­ schluß an eine Temperung photolithographisch struktu­ riert. Die Düsenplatte 14 wird separat auf einem vor­ strukturierten Siliziumsubstrat photolithographisch strukturiert und anschließend abgelöst. Daraufhin wird die Düsenplatte 14 auf der Kanalstruktur 13 ju­ stiert und thermisch mit ihr verbunden. Abschließend wird ein Anschlußstück aus Edelstahl derart auf die Düsenstruktur aufgeklebt, daß über das Anschlußstück Kraftstoff der Kanalstruktur 13 zugeführt werden kann.The structures 13 and 14 can be manufactured, for example, from polyimide from the Olin Microelectronic Materials series 7500 . For this purpose, the polyimide present in the form of a photosensitive varnish is applied over the entire surface of the substrate on which the microactuator (s) are arranged and is photolithographically structured following annealing. The nozzle plate 14 is separately photolithographically structured on a pre-structured silicon substrate and then detached. Thereupon, the nozzle plate 14 is placed on the channel structure 13 and thermally connected to it. Finally, a connector made of stainless steel is glued onto the nozzle structure in such a way that fuel can be supplied to the channel structure 13 via the connector.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung im dynamischen Betrieb bei moderaten Heizleistungen die untersten Kraftstoffschichten innerhalb weniger Mikrosekunden auf über 300°C erhitzen lassen. Mit­ tels Hochgeschwindigkeitskinematographie ließ sich für verschiedene fluide Kraftstoffe nachweisen, daß eine Nukleation von Dampfblasen bereits 2 Mikrosekun­ den nach Beginn des Heizpulses stattfindet. Der Kraftstoff konnte mit einer Druckamplitude zwischen 50 und 100 bar ausgestoßen werden. Derartige Druck­ amplituden sind ausreichend für die Kraftstoffein­ spritzung in Benzinmotoren.Experiments have shown that with help the fuel injection device according to the invention in dynamic operation with moderate heating outputs the lowest fuel layers within a few Let it heat up to over 300 ° C for microseconds. with high-speed cinematography prove for different fluid fuels that a nucleation of vapor bubbles already 2 microseconds which takes place after the start of the heating pulse. The Fuel could with a pressure amplitude between 50 and 100 bar can be emitted. Such pressure  amplitudes are sufficient for the fuel injection in gasoline engines.

Bei der Kontrolle des Fließverhaltens hat sich ge­ zeigt, daß mit herkömmlichen Kraftstoffen (Super­ kraftstoff, Normalkraftstoff, Dieselkraftstoff) eine vollständige und blasenfreie Befüllung des Kapillar­ systems erfolgen kann. Die Befüllzeit einer Kammer liegt im Bereich weniger Mikrosekunden. Bei den Bla­ senbildungsvorgängen kann eine hohe Reproduzierbar­ keit erreicht werden. Superkraftstofftröpfchen lassen sich bei einer Heizleistung von 5 W und einer Heiz­ dauer von 6 µs aus einer Düse mit einem Durchmesser von 55 µm mit einer Geschwindigkeit von bis zu 12,5 m/s ausstoßen.When checking the flow behavior, ge shows that with conventional fuels (Super fuel, normal fuel, diesel fuel) a complete and bubble-free filling of the capillary systems can be done. The filling time of a chamber is in the range of a few microseconds. With the Bla Sen formation processes can be highly reproducible be achieved. Leave super fuel droplets with a heating power of 5 W and a heating duration of 6 µs from a nozzle with a diameter of 55 µm at a speed of up to Eject 12.5 m / s.

In Fig. 3 sind Kraftstoffeinspritzung mittels herköm­ mlicher Einspritzventile und mittels der erfin­ dungsgemäßen Einspritzvorrichtung vergleichend gegen­ übergestellt. Auf der linken Seite ist ein unter Druck stehender Kraftstoffbehälter und ein mit dem Kraftstoffbehälter über eine Kraftstoffzuleitung in Verbindung stehendes Einspritzventil dargestellt.In Fig. 3, fuel injection by means of conventional injection valves and by means of the injection device according to the invention are compared. A fuel tank under pressure and an injection valve connected to the fuel tank via a fuel supply line are shown on the left-hand side.

Über der Anordnung ist für einen einzelnen Einspritz­ vorgang der zeitabhängige Kraftstofffluß dargestellt. Auf der rechten Seite von Fig. 3 ist die erfindungs­ gemäße Kraftstoffeinspritzung skizziert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kraftstoffeinspritzung muß den er­ findungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen der Kraftstoff nicht mehr unter hohem Druck zugeführt werden. Der herkömmliche, auf der linken Seite darge­ stellte Kraftstoffeinspritzvorgang läßt sich erfin­ dungsgemäß durch eine Mehrzahl diskreter Einspritz­ vorgänge exakt simulieren und ggf. optimieren. Dieser Sachverhalt ist in der rechten Darstellung des zeit­ abhängigen Kraftstoffflusses angedeutet. Die Zyklus­ zeiten für eine einzelne Kraftstoffeinspritzvorrich­ tung liegen dabei im Bereich zwischen 10 und 100 Mi­ krosekunden.Above the arrangement, the time-dependent fuel flow is shown for a single injection process. On the right side of Fig. 3, the fuel injection according to the Invention is outlined. In contrast to conventional fuel injection, the fuel injection devices according to the invention no longer have to be supplied under high pressure. The conventional fuel injection process shown on the left-hand side can be exactly simulated and optimized if necessary according to the invention by a plurality of discrete injection processes. This fact is indicated in the right-hand illustration of the time-dependent fuel flow. The cycle times for a single fuel injection device are in the range between 10 and 100 microseconds.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur intermittierenden Einspritzung eines fluiden Kraftstoffes mit mindestens einem auf einem Substrat (1) angeordneten piezoelek­ trischen oder thermopneumatischen Mikroaktor (4) mit einer elektrischen Kontaktierung (9) und einer auf dem Mikroaktor angeordneten Düsen­ struktur (13, 14).1. Device for intermittent injection of a fluid fuel with at least one on a substrate ( 1 ) arranged piezoelectric or thermopneumatic microactuator ( 4 ) with an electrical contact ( 9 ) and a nozzle structure arranged on the microactuator ( 13 , 14 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroaktor ein thermopneumatischer Mi­ kroaktor mit einer Widerstandsschicht (4) aus dotiertem oder graphitischem Diamant ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the microactuator is a thermopneumatic Mi kroaktor with a resistance layer ( 4 ) made of doped or graphitic diamond. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroaktor auf mindestens einer thermisch isolierenden Schicht (2) angeordnet ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the microactuator is arranged on at least one thermally insulating layer ( 2 ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands­ schicht (4) eine Fläche von weniger als 1 mm² aufweist.4. Device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the resistance layer ( 4 ) has an area of less than 1 mm ² . 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch iso­ lierende Schicht (2) aus einem amorphen Material besteht.5. Device according to one of claims 3 to 4, characterized in that the thermally insulating layer ( 2 ) consists of an amorphous material. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der thermisch isolierenden Schicht (2) ausgewählt ist aus Siliziumoxiden, Siliziumnitriden, Sili­ ziumoxinitriden und Aluminiumoxiden.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the material of the thermally insulating layer ( 2 ) is selected from silicon oxides, silicon nitrides, silicon oxynitrides and aluminum oxides. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroaktor min­ destens eine Zwischenschicht (3), welche zwi­ schen der thermisch isolierenden Schicht (2) und der Widerstandsschicht (4) angeordnet ist, ent­ hält.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the micro actuator min least an intermediate layer ( 3 ), which is arranged between the thermal insulating layer ( 2 ) and the resistance layer ( 4 ) ent. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus lateral strukturiertem intrinsischen Diamant besteht.8. The device according to claim 7, characterized in that the intermediate layer ( 3 ) consists of laterally structured intrinsic diamond. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch iso­ lierende Schicht (2) auf einem Substrat (1) an­ geordnet ist, welches ausgewählt ist aus Silizi­ um und Siliziumkarbid.9. Device according to one of claims 3 to 8, characterized in that the thermally insulating layer ( 2 ) is arranged on a substrate ( 1 ), which is selected from silicon and silicon carbide. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkon­ zentration in der Widerstandsschicht (4) mehr als 10¹⁹ cm^-3 beträgt.10. Device according to one of claims 2 to 9, characterized in that the dopant concentration in the resistance layer ( 4 ) is more than 10 ¹⁹ cm ^-3 . 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trische Kontaktierung (9) mindestens eine Kon­ taktmaterialschicht (10), eine darauf angeord­ nete Diffusionsbarriere (11) und eine auf der Diffusionsbarriere (11) angeordnete metallische Deckschicht (12) umfaßt. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical contacting ( 9 ) at least one contact material layer con ( 10 ), a diffusion barrier arranged thereon ( 11 ) and a metallic cover layer ( 12 ) arranged on the diffusion barrier ( 11 ) ) includes. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmaterial­ schicht (10) aus amorphem Silizium und die Dif­ fusionsbarriere (11) aus mit Stickstoff dotier­ tem amorphen Wolframsilizid besteht.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the contact material layer ( 10 ) made of amorphous silicon and the dif fusion barrier ( 11 ) consists of nitrogen doped tem amorphous tungsten silicide. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen­ struktur (13, 14) eine Kanalstruktur (13) und mindestens eine mit der Kanalstruktur (13) in Verbindung stehende Düse (16) umfaßt.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle structure ( 13 , 14 ) comprises a channel structure ( 13 ) and at least one with the channel structure ( 13 ) communicating nozzle ( 16 ). 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraft­ stoffzuleitung zumindest bereichsweise im Sub­ strat (1) verläuft.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a fuel supply line extends at least in regions in the sub strat ( 1 ). 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraft­ stoffzuleitung rückseitig durch das Substrat (1) verläuft.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a fuel supply line runs through the substrate ( 1 ) on the back. 16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ richtung eine Mehrzahl matrixförmig angeordneter Mikroaktoren umfaßt.16. Device according to one of the preceding An sayings, characterized in that the pre direction a plurality of arranged in a matrix Includes microactuators. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Mikroaktors ein Temperatursensor angeordnet ist. 17. Device according to one of the preceding An sayings, characterized in that in the area a temperature sensor is arranged in the microactuator is.   18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikro­ aktor selbst den Temperatursensor bildet.18. Device according to one of the preceding An sayings, characterized in that the micro actuator itself forms the temperature sensor.